短小精悍的虚拟机：JVM基本结构和功能介绍

欢迎来到“Under The Hood”第一期。本期，我将给出JVM的基本结构和功能介绍。

什么是JVM？为什么要有它？

JVM（Java虚拟机）是一个运行已编译Java程序的抽象计算机。之所以说是”虚拟“的，是因为它基于“真正”的硬件平台和操作系统，一般以软件的形式实现。所有的Java程序都为JVM而编译。因此，在特定平台上运行已编译Java程序之前，该平台的JVM必须先要被实现。

JVM在Java的跨平台特性中，起着中间人的角色。它在已编译Java程序与底层硬件平台和操作系统之间，提供一个抽象层。JVM对Java的可移植性非常关键，因为，已编译Java程序运行在JVM之上，并独立于底层JVM的具体实现。

那么，是什么导致JVM的短小精悍？当被实现成软件时，JMV很小巧。它被设计成这样，是为了让它能够适用于尽可能多的地方，比如机顶盒，手机和个人电脑。JVM很精悍，是因为它的野心。”无处不在！“是它的战斗口号。它想要无处不在，并且Java程序”一次编写，到处运行“的程度说明了它的成功。

Java字节码

Java程序被编译成一种叫做字节码的东东。JVM执行Java字节码，所以字节码可以被认为是JVM的机器语言。Java编译器读取Java源文件，把它翻译成Java字节码并保存到类文件（.class文件）中。编译器会为源码中的每一个类生成一个类文件。

对JVM来说，字节码流就是指令序列。每条指令包含一个单字节的操作码和零个或多个操作数。操作码告诉JVM要执行的操作。如果JVM需要除操作码之外更多的信息去执行一项操作，那么，需要的信息作为操作数，紧跟在操作码之后。

每个字节码都有一个助记符，它可被当作JVM的汇编语言。例如，有个指令会让JVM把0压到堆栈中。该指令的助记符是iconst_0，字节码值是0×60。该指令没有操作数。另一个指令让程序的执行在内存中无条件向前向后跳转。这个指令需要一个操作数，它是一个指明从当前内存地址开始的2字节无符号偏移量。通过把偏移量加到当前内存地址，JVM可以获得要跳转的目标内存地址。该指令的助记符是goto，它的字节码值是0xa7。

虚拟部分

JVM的“虚拟硬件”可以分为四个部分：寄存器组，栈区，垃圾收集堆和方法区。这些部分很抽象，就像由它们组成的虚拟机一样；但是它们必须在每个JVM的实现中，以某种形式存在。

JVM中地址的是32位（4字节）的，因此，JVM可以处理4GB（2的32次方）的内存。栈区，垃圾收集堆和方法区处在这4GB内存中的某个地方，至于它们的具体内存地址，这取决于每个特定JVM的实现者。

JVM中一个字（word）的长度是32位的。JVM中有少数几个原始数据类型：byte（8位），short（16位），int（32位），long（64位），float（32位），double（64位），char（16位）。除了无符号Unicode字符char之外，其他6种数字类型都是有符号的。这些类型可以方便的映射到Java程序员可用的数据类型。另一个原始类型是对象句柄，它是一个指向堆中对象的32位地址。

由于包含字节码，方法区以字节边界对齐。栈和垃圾收集堆以字（32位）边界对齐。

寄存器：我少我自豪

JVM有1个程序计数器（counter）和3个管理栈的寄存器（register）。它只有很少的寄存器，是因为JVM字节码指令主要操作栈区。这种面向栈的设计，使得JVM指令集和JVM实现很小巧。

JVM使用程序计数器（也叫pc寄存器），跟踪当前执行指令的内存位置。另外3个寄存器（optop寄存器，frame寄存器和vars寄存器）指向当前执行方法栈帧上不同的部位。执行方法的栈帧持有特定方法调用的状态（本地变量，即时计算结果等）。

方法区和程序计数器

方法区是字节码呆的地方。程序计数器跟踪执行线程。当前字节码指令执行后，程序计数器会包含下一条执行指令的地址：一条指令执行之后，JVM把程序计数器设置为紧跟上一条指令的指令地址，除非上一条指令具体指明一次跳转。

Java栈和相关寄存器

Java栈用来保存字节码指令的参数和执行结果，给方法传递参数和返回结果，保存每个方法调用的状态。方法调用的状态被称为调用栈帧。var寄存器，frame寄存器和optop寄存器指向当前栈帧的不同部位。

Java栈帧有3个区：本地变量，执行环境和操作数栈。本地变量区，包含当前方法调用中使用的所有本地变量。它由vars寄存器指向。执行环境区用来维护栈区本身的操作。它被frame寄存器指向。操作数区用来作为字码指令的工作区。正是在这里，存放着字节码指令的参数和其返回结果。操作数栈区的顶部被optop寄存器指向。

执行环境通常夹在本地变量和操作数栈中间。当前执行方法的操作数栈总是在栈区的最上面，所以optop寄存器总是指向整个Java栈的顶部。

垃圾收集堆

堆是Java对象生存的地方。任何时候，你用new操作符分配的内存，都来自堆中。Java语言不允许你直接释放分配的内存。运行时环境会跟踪堆上每个对象的引用，自动释放那些不被引用的对象所占据的内存，这个过程被称为垃圾收集。

参考

• 关于内存对齐方式，请参考Data alignment: Straighten up and fly right。

本文译自：The lean, mean, virtual machine

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